Süperiletkenlik ve Uygulama Alanları

1. Süperiletkenlik ve Uygulama Alanları Kocaeli Üniversitesi Fizik Bölümü Seminer-1 Dersi 060101001 GÖKHAN DAĞHAN

2. Süper İletkenliğin Tanımı I. • Süper iletkenlik bir maddenin direncinin çok düşük ısılarda sıfıra düşmesi halidir. • Başka bir deyişle sıcaklığın belirli bir değerin altına düşürüldüğü zaman doğru akim ile elektriksel dirençleri sıfır olan malzemelere süper iletken denir. • Süper iletkenlik sadece kritik sıcaklık Tc , kritik akım Jc ve kritik manyetik alanda Hc mevcut olur. Critical Surface of a Superconductor

3. Süper İletkenliğin Tanımı II. • Çok düşük ısılarda elektronlar “cooper çiftleri” adı verilen ikililer oluştururlar ve iletkenin içinde atomlara çarpmadan yani enerji kaybetmeden hareket edebilirler. • Bu ısı değişik metal ve seramikleri için farklıdır ve mutlak sıfır (-273ºC) ile -196ºC arasında değişir. • Şu anda ancak sıvı azot gibi yardımcı soğutucular sayesinde süper iletkenlik sağlanabilmektedir. • Şu ana kadar yapılan çalışmalarda en yüksek kritik sıcaklık değeri 138ºK olarak Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 malzemesi için kaydedilmiştir.

4. Belirleyici Özellikleri I. Süper iletkenliğin iki belirleyici özelliği vardır. 1- Maddenin içindeki elektrik akımı, maddenin yapısını oluşturan iyon örgüleriyle çarpışması sonucu engellenir. • Buna maddenin direnci adı verilir. Böyle bir madde süper iletken duruma geldiğinde, bu direnç sıfıra iner. • Süper iletken durumda maddenin örgüsü, elektronları engellemek yerine, onların hareketine destek olur. • Bunun uygulamadaki anlamı süper iletken bir devrede elektrik akımının ilke olarak kayıpsız akacağıdır.

5. Belirleyici Özellikleri II. 2- Süper iletkenlerin sıfır direnç göstermelerinin yanı sıra yakınlarında bulunan herhangi bir manyetik alanı dışlamaları da ayırt edici bir özelliktir. • Örneğin bir mıknatıs kritik sıcaklığın (süper iletkenliğe geçiş sıcaklığı) altında bulunan bir süper iletkeni sanki ters kutuplu bir mıknatısmış gibi iter. • Ancak kritik sıcaklığının üstünde aynı süper iletken madde herhangi (mıknatıs olmayan) bir iletken gibi davranır. • Yani mıknatısın süper iletken üzerinde bir etkisi görünmez.

6. Süperiletkenlerin Kullanım Alanları • Bilgisayarlar • Elektrik güç nakli • Magnetik ayırma • Motorlar • Magnetik enerji depolama (SMES) • Güç transformerları

7. I. Bilgisayarlar • Süper iletkenler kullanılarak daha hızlı ve küçük bilgisayarlar yapılabilir. • Süperiletken ısı yaymadığından devreler daha yakın paketlenebilir. • Sonuç, daha komplex ve daha küçük hacime yerleştirilmiş hızlı devreler olacaktır. • Bunlar SC elektroniğinde açmakapama zamanları 6 pikosaniye mertebesindedir.

8. II.Elektrik Güç Nakli • Ana yararı çok önemli miktarda daha fazla akım taşıma kabiliyetidir. • Deneysel sıvı helyum çok önemli miktarda daha fazla akım taşımaktadır. • Deneysel sıvı helyum, aynı boyutlarda ve voltajdaki bakır kablodan üç kat daha fazla akım taşıyabileceğini göstermiştir. • Diğer yararı direnç nedeni ile olan güç kaybının yokluğudur.

9. III.Magnetik Ayırma • Magnetik ayırma bir karışım içinden bilinen bazı bileşenleri ayırma metodudur. • Değişik bileşenlerin magnetik özellikleri farklı olduğundan bazıları çekilip alınırken bazıları karışımda kalır. • HTSC magnetler bir çok uygulamalar sunacaktır; kömürden kükürt ayırma, madenlerden safsızlıkların ayrılması, artık suyun arıtılması, kimyasalların saflaştırılması ve gazların ayrılması gibi düşük maliyet, küçük boyut ve daha yüksek magnetik alan ile HTSCler bu uygulamalar için çok çekici olacaktır.

10. IV.Motorlar • Meissner olayına dayanan SC motorlar, magnetik alan çizgilerini iterler. • SC motorlar akım kaybını %50 civarında azaltır. • SC motorlar, arabalarda, pompalarda, dönen millerde vs. kullanılır. VI.Güç Transformerları • Bilim adamları, transformatörlerin verimsiz çalışması nedeniyle elektrik güç nakli sırasında enerjinin 1/6 sının kaybedildiğini tahmin etmektedirler. • Eğer transformatörlerde SC sarımlar kullanılsa verim artacak ve maliyet düşecektir.

11. Magnetik Enerji Depolama (SMES) • Magnetik enerji depolamada enerji toprağa gömülen büyük SC magnet ile oluşturulur. • Enerji bobinde depolanır ve güç kaybı olmadan sonsuza kadar dolandırılır. • Depolamak için enerjiden başka formlara çevrilmesine gerek yoktur. • Enerjiye ihtiyaç olduğu zaman çabukça boşaltılır. • Bu ise magnetik alanda ve dolayısıyla depolanan enerjide azalmaya neden olur. • SMES sistemi % 90 verimle çalışır.

12. Süper iletkenlik genel olarak; • Elektrik iletimiyle ilgili tüm uygulamalar için idealdirler. • Bunun yanı sıra süper iletkenler büyük miktarda akımda taşıyabilir. • Küçük süper iletken bobinli mıknatıslar çok fazla enerji tüketmeden güçlü manyetik alanlar yaratabilirler. • Bu gibi mıknatıslar, manyetik alan sayesinde havada giden trenlerin yapımını sağlayabilir, hızlandırıcı tünellerde ve nükleer manyetik rezonans tarayıcılarında parçacık saptırıcısı olarak kullanılabilirler. • Ayrıca elektrik üretiminde kullanılan senkron jeneratörlerinde kullanılmasıyla üretimde verimin artmasına ve boyutların küçülmesine neden olurlar Yaygın olarak kullanılmayışının ise iki cevabı var; - Birincisi yukarıda da bahsettiğimiz gibi bir süper iletkenlik durumunun gerçekleşmesi için oda sıcaklığının çok çok altında bir sıcaklığa ihtiyaç duyulması,- İkincisi ise maddi kaynaklar.

14. Kaynaklar • www.fizik.us • ocw.mit.edu • Süper İletkenler Sunumu Prof. Dr. Ayşegül AKDOĞAN EKER